基于Hα分解原理的古河道信息提取——以松嫩平原西部地区为例
第50卷第6期 2020年11月
吉林大学学报（地球科学版）
Journal of Jilin UniversityCEarth Science Edition)
V〇1.50 N o.6
Nov. 2020
张森，姜琦刚，习靖，等.基于分解原理的古河道信息提取：以松嫩平原西部地区为例.吉林大学学报（地球科学版），2020,50(6)：1905 - 1916. doi：10.13278/jki.jjuese.20200008.
Z h a n g Sen,Jiang Q i g a n g,X i Jing, et al. Detection of Paleo-Channels Based on H/a D e c o m p o s i t i o n：A C a s e S t u d y of W e s t e r n S o n g n e n Plain. Journal of Jilin University (Earth Science Edition)，2020，50(6):1905 - 1916. doi: 10.13278/jki.jjuese. 20200008.
基于H/cc分解原理的古河道信息提取
-以松嫩平原西部地区为例
张森\姜琦刚\习靖\宫昀迪2
1.吉林大学地球探测科学与技术学院，长春130026
2. 吉林大学地球科学学院，长春130061
摘要：古河道对于重现古气候、古生态环境变化有着重要的意义。极化合成孔径雷达（S A R)数据以散射矩阵的形式记录了地物的后向散射信息，能有效地识别隐伏的古河道信息。本文以古河道发育的松嫩
平原西部作为研究区域，选取Sentinel - 1双极化数据（V V- V H)作为数据源，通过V V- V H双极化模式
下的分解处理，构建了由散射熵/•/与散射角a构成的二维平面。依据雷达波在古河道充填沉
积物中发生体散射以及在古河床底界面发生二次散射，并且体散射功率大于二次散射功率，确定了古河道
散射类型属于H/a平面上的高熵多次散射。结合此特征与Sentinel-2影像，最终对研究区内的古河道信
息进行了提取。研究表明，通过V V-V H双极化模式下的分解方式可以提取到在Sentinel-2影像
上无明显特征的古河道信息。
关键词：松嫩平原；Sentinel-1数据；H/a分解；古河道
doi:10.13278/jki.jj uese. 20200008 中图分类号：P237 文献标志码：A
Detection of Paleo-Channels Based o n H/a Decomposition：
A Case Study of Western Songnen Plain
Zhang Sen1，Jiang Qigang1，Xi Jing1，Gong Yundi2
1.College o f GeoExploration Sicence and Technology ■,Jilin University ^Changchun 130026. China
2.College o f Earth Sciences •,Jilin University ^Changchun 130061* China
Abstract ：Paleo-Channels play an important role in reproducing changes of paleo-climate and paleo- ecological environment. The data of polarimetric synthetic aperture radar ( SAR ) record the backscattering information of ground objects in the form of scattering matrix, which can be used to effectively identify the hidden paleo-channels information. The Western Songnen Plain was taken as the
收稿日期：2020 -01 -08
作者简介：张森（1997 —），男，硕士研究生，主要从事合成孔径雷达遥感方面的研究，E-mail:812444626@q q.c o m
通信作者：姜倚刚（1964 —），男，教授，博士生导师，主要从事遥感地质学方面的研究，E-mail: ******************* 基金项目：中国地质调査局项目（D D2*******)
Supported b y Project of C h ina Geological Survey (D D2*******)
1906吉林大学学报(地球科学版）第50卷
r e s e a r c h a r e a，a n d t h e S e n t i n e l- 1V V- V H d u a l-p o l a r i z a t i o n d a t a w e r e s e l e c t e d a s t h e d a t a s o u r c e.T h e H/a V V - V H d u a l p o l a r i z a t i o n m o d e o f S e n t i n e l - 1w a s d e c o m p o s e d，a n d a t w o-d i m e n s i o n a l H/a
p l a n e c o m p o s e d o f s c a t t e r i n g e n t r o p y H a n d s c a t t e r i n g a n g l e a w a s c o n s t r u c t e d.B a s e d o n t h e f a c t t h a t t h e r e i s b u l k s c a t t e r i n g i n t h e p a l e o-c h a n n e l f i l l e d w i t h s e d i m e n t s a n d s e c o n d a r y s c a t t e r i n g a t t h e b o t t o m i n t e r f a c e o f t h e p a l e o-c h a n n e l，a n d t h e v o l u m e s c a t t e r i n g p o w e r i s g r e a t e r
t h a n t h e s e c o n d a r y s c a t t e r i n g, i t i s c o n f i r m e d t h a t t h e p a l e o-c h a n n e l s c a t t e r i n g t y p e b e l o n g s t o t h e m u l t i p l e s c a t t e r i n g o f h i g h e n t r o p y H/a p l a n e.C o m b i n e d w i t h t h e S e n t i n e l - 2 i m a g e,t h e p a l e o-c h a n n e l i n f o r m a t i o n i n t h e s t u d y a r e a i s f i n a l l y e x t r a c t e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p a l e o-c h a n n e l i n f o r m a t i o n w i t h o u t o b v i o u s f e a t u r e s i n t h e
S e n t i n e l-2 i m a g e c a n b e e x t r a c t e d b y t h e H/a d e c o m p o s i t i o n i n t h e V V- V H d o u b l e-p o l a r i z a t i o n m o d e.
Key words：S o n g n e n P l a i n；S e n t i n e l- 1d a t a；H/a d e c o m p o s i t i o n；p a l e o-c h a n n e l s
〇引言
长春分类信息古河道是指河流改道之后废弃的河道，其形成 受到构造运动、风沙活动、滑坡、崩塌等自然条件或拦河筑坝、截弯取直等人为因素的影响[1]。如何有 效探测松嫩平原古河道，对于重建松嫩平原的古水文网络，研究松嫩平原古水文、古气候、古生态环境方面有着重要意义。
传统利用遥感技术探测古河道方法分为两种。一是利用光学影像，通过解译光学影像上在水系变迁过
程中受侵蚀和堆积作用而形成的特殊的微地貌，进而提取古河道信息。张配等[2]利用L a n d s a t T M、S e n t i n e l- 2A等多源遥感数据，在建立古河道解译标志的基础上，完成了对松辽平原中部地区古河道的解译。贺秋华等[3]结合历史地形图及遥感影 像，分析了下荆江古河道演变特征并重塑了其4 0 0多年以来的变迁过程。二是利用合成孔径雷达(S A R)数据，根据微波的穿透探测性能，通过研究古 河道与周边区域的后向散射系数差异提取古河道信 息。M c C a u l e y等[4]利用S I R - A数据发现了位于撒哈拉沙漠东部的一系列埋藏古河道，开创了利用 S A R数据探测古河道的先河。郭华东等[5]利用机载、星载S A R数据以及L a n d s a t影像，识别出了阿拉善高原风沙覆盖下的古河道与古湖盆。前人在利 用S A R数据探测古河道时，研究区域都选择在了干 旱荒漠地区，而且仅基于雷达波在古河道与周边区域回波强弱不同而导致的后向散射系数图像上的 调差异来提取古河道信息，并未对古河道的散射特征进行深人的分析。
随着目前极化S A R系统的发展，极化S A R数 据记录的地物散射特征信息也随之丰富。相比于单极化S A R数据，极化S A R数据以散射矩阵的形式记录了地物的后向散射信息，从而全面提高了识别地物散射特征的能力。极化S A R数据分为两种模 式：双极化模式以及全极化模式。全极化模式相比 于双极化模式具有更好识别地物散射机制的优点，但同时也存在着数据获取成本大、不易获取的问题；因此在无法获取全极化数据的情况下，选取双极化 数据开展相关研究是最为理想的方式。
H/a分解技术由C l o u d等[6]针对全极化数据提出。由于通过分解技术得到的参数散射熵
H与散射角《可以表征地物的随机散射机制，目前分解技术已被广泛应用于地物分类、地物识别 等领域。李坤等[7]利用R a d a r s a t - 2全极化数据，基于H/a分解技术，以贵州高原丘陵为研究区，确 定了水稻的散射机制是以二面角散射和植被散射为 主，通过对比发现水稻散射机制与森林、水体、城市 等其他地物的散射机制存在明显差异，最终证明了 依据水稻散射特征提取水稻信息的可行性。张晰 等[8]以渤海海冰为例，通过对R a d a r s a t - 2影像进 行分解、F r e e m a n三分量分解等极化分解处理，得到了散射熵、偶次散射分量等极化参数，结合 二叉树思想对海冰影像进行分类，结果发现通过
H/a分解得到的极化参数可用于区分灰冰和灰白冰。为了更好地应用双极化S A R数据，相关研究者
已经提出了针对不同双极化模式的分解方法[9-1°]，但其中缺少对S e n t i n e l-1 V V-V H双极化 数据在极化分解应用方面的研究。
为了深人探究古河道的散射特征以及S e n t i n d- 1双极化数据是否在H/a极化分解应用方面存在一定的使用价值，本研究通过对S e n t i n e l - 1(V V - V H)双极化数据进行V V-V H模式下的H/a 分
第6期张森，等：基于H/a分解原理的古河道信息提取—-以松嫩平原西部地区为例1907
解，在深人分析雷达波在古河道散射机理的基础上，确定了雷达波在古河道区域所发生的散射机制，结 合S e n t i n e l- 2影像，对松嫩平原内古河道信息进行 了提取。
1研究区概况
第四纪以来，太平洋板块和东北亚板块的相对南北向扭动导致长岭隆起带从更新世晚期逐渐抬升 形成松辽分水岭[11]，使原先的松辽水系一分为二，形成了如今的北部松嫩水系及南部的辽河水系。除 此之外，自第四纪以来松辽平原气候发生过多次干冷与温暖的波动，导致旱涝频发，河流堆积和侵蚀作 用交替发生。再加之，自晚更新世以来松辽平原风沙活动频繁，沙丘的形成和不断移动导致河道堵塞[12]。由于上述因素的综合影响，松辽平原上河流自第四纪以来频繁改道，造成了如今松辽平原上牛轭湖、湖泡沼泽星罗棋布的现状。
本研究选取古河道发育良好的松嫩平原西部地 区作为研究区域，位于松原市西北部、白城市东部、大庆市西南部，地理位置处于123°16卞一 124°57'E, 45°〇V N—46°25^N之间（图1)，研究区属于温带季风气候，区内主要干流有嫩江、松花江、第二松花江，地貌类型属于松嫩冲积平原，平均海拔处于120〜 200 m之间。
2数据源以及研究方法
2.1数据源
2.1.1 S A R数据源
S e n t i n e l-1系列卫星由欧洲航天局（E S A)发 射，由A、B两颗卫星星座组成，均搭载C波段合成 孔径雷达传感器。其共有4种工作模式：条带（s t r i p m a p,S M)模式、超宽幅（e x t r a w i d e s w a t h,E W)模 式、宽幅干涉（i n t e r f e r o m e t r i c w i d e s w a t h，I W)模 式和波(w a v e,W V)模式。其中，I W模式具有空间 分辨率高（5 m X20 m)以及覆盖范围大（250 k m)的优势。提供下载的覆盖研究区数据产品级别有L e v e l- 0原始数据、L e v e l - 1单视复数型（s i n g l e l o o k c o m p l e x，S L C)以及地距型（g r o u n d r a n g e d e t e c t e d，G R D)数据。L e v e l - 1级别数据相对于L e v e卜0级别数据已经过聚焦处理。
本研究采用了 S e n t i n e丨-1B卫星双极化（V V- V H)、I W模式、L e v e l - 1级别S L C影像作为数据源，时相选择在低植被覆盖度的2019年1月。
2.1.2 光学数据源
本研究的光学数据源采用了 S e n t i n e l- 2B数据 以及L a n d s a t T M数据。
S e n t i n e l-2B数据主要用于与S e n t i n e l - 1数 据进行双极化H/a分解之后的结果进行对比，剔除
干扰地物影响，进而提取古河道信息。时相选取了 植被覆盖度低的2019年11月份。在光谱彩合成 图像时采用了 S e n t i n e l- 2B数据的B12、B8、B2波 段，将其空间分辨率重采样为10 m。
同时采用了 1988年11月份的L a n d s a t T M影
像，用于对所提取的部分古河道信息进行验证。在 光谱彩合成图像时采用了 T M数据的B5、B4、B3 波段，空间分辨率为30 m。
2.2数据处理
本研究以S N A P软件为平台，对获取的
S e n t i n e l- 1B数据依次进行了辐射定标、滤波处理、地理编码等预处理，并将其空间分辨率重采样为10 m X10 m。
滤波处理时，为了在去除相干噪声的同时保留图像边缘信息和极化信息，通过定量分析滤波处理前后图像的平均值、标准差、等效视数（E N L)及边 缘保持系数（E S I)(表1)来选择最适合的滤波算法进行滤波处理。
根据表1可以看出，没有一种滤波算法既能最佳地平滑斑点噪声又能良好地保持图像的边缘信息。边缘保持系数反映了处理后滤波算法对图像边缘信息的保持能力，边缘保持系数越高则表明滤波算法对图像的边缘保持能力越好[13]，边缘保持系数较低的滤波算法在滤波处理过程中会对图像的极化信息有较大破坏。由于在后续处理中涉及到了极化 分解，因此本文选取了滤波处理之后边缘保持系数最高的F r
o s t滤波进行滤波处理。
2.3研究方法
2.3.1 微波穿透能力分析
微波属于电磁波的一种.微波信号不仅能反映地表信息，在地表介质颗粒小、介质厚度小、气候干 燥的条件下D4]，微波还能对有些介质进行穿透，进 而探测到次地表信息。在干旱一半干旱区，传感器 发射电磁波到达地面后，从电磁波传输角度而言，会 发生以下3种情况：①在地表发生反射；②被地物吸 收；③穿透地表介质覆盖（干燥沙、土）至次地表[15]。
1908吉林大学学报(地球科学版）第50卷
匚二]研宄区范围Y 县、区界 现代水系
123°00'00"E
124°00'00"E
丨 25°00'00"E
图1
研究区Sentien 丨-2A 影像
Fig.l Sentinel - 2A data of the study area
表1不同滤波算法评价指标
Table 1
Evaluation index of different filtering algorithms
滤波处理前后图像
滤波算法 ----------------------------------------------------
等效视数 边缘保持系数
平均值 标准差
原始图像
39.250 552.698 8  1.540 6  1.000 0L e e 滤波55.430 452.336 7  3.072 50.594 0F r o s t 滤波56.467 754.246 0  3.188 60.834 2G a m m a  M ap  滤波
55.393 152.323 8  3.068 40.594 2增强型L e e 滤波
69.681 958.451 9  4.855 60.649 9L e e  S ig m a  滤波
57.715 7
49.065 0
3.331 1
0.410 2
123°00,00"E 124°00'00"E 125°00'00"E
F 0000O 9
吋
F
i o
o s
寸
N =8b 0°9寸
N b o o o o s
寸
第6期张森.等：基于H/a分解原理的古河道信息提取一_以松嫩平原西部地区为例1909
穿透深度可定义为，电磁波在有损介质中传播，式中：A，为r v v_V H的特征值；《，为T VV_V H的特征矢 当电场强度衰减至1/e时，电磁波在介质中的深度：量。
式中：5P为穿透深度；A为波长；^为复介电常数的实部；^为复介电常数的虚部。可见，穿透深度与 人射波波长、目标地物复介电常数有关。
首先，松嫩平原干旱一半干旱的气候条件符合穿透探测的理论条件。其次，古河道一般具有“下粗 上细
”的二元结构[16]，即底层为直径介于几厘米到几十厘米之间的卵石，上层为粗砂至粉细砂这些古河道松散沉积物，其地表介质符合穿透探测的理论条件。因此，对于松嫩平原中上覆沉积物厚度小的古河道，在理论上，S e n t i n e l - 1系列卫星可以穿透表层介质，获取到隐伏的次地表信息。
2.3.2 分解原理
与全极化模式下的散射矩阵不同，由于在V V-
V H双极化模式下，S A R系统仅有两个极化通道，在V V-V H模式下.散射矩阵描述为
0 0
S=。（2)
_S V H S V V_
式中：s V H为垂直极化方式发射、水平极化方式接收
的后向散射系数；s v v为水平极化方式发射、水平极 化方式接收的后向散射系数。
为了利于提取目标信息，通常将极化散射矩阵
矢量化。可用P a u l i基将散射矩阵展开，得到散射矢量
[S V V—S V V S V H I j S V H ]「。（3 )
V2
式中〇为虚数单位。i t对应的相干矩阵可定义为
T =k•k T。(4)
在实际处理中，常采用多视处理来抑制斑点噪声及减少数据量。经过多视处理之后的V V-V H
双极化模式相干矩阵可表示为
T v v-V H=T S n H。（5)式中：L为视数；々•，为第z'个散射矢量。双极化模式 下，相干矩阵是二维的。
分解的中心思想就是将目标的相干矩阵分解为不同散射机制的特征矢量及其对应的特征值。对2X2的r v v_V H进行特征分解：
2
T V V-V H=>/（6)
m,.=e w,[c o s a e於,—s i n a c o s]T;i =1，2。
(7)式中：a，为目标散射角；/3，为目标方位角；？)，表示 目标绝对相位；表；目标相对相位。
与全极化模式下定义类似，双极化模式下a、H 可定义为：
2
a=y]P,a,；
i= 1
(8)
2
h =~y] p,i〇g2p,〇(9)其中：
2
P i =A,-/ A,〇(10) a的取值范围为[0°，90°]，是用于识别主散射机制的关键参数。H取值范围为[0, 1]，其值从低 到高的变化描述了目标散射过程的随机性，具体表 现为：H值较低时表明只有一种散射机制占优；H 值较高时则表明有2种以上的主要散射机制，在研 究目标的散射机制时应该综合考虑多种散射机制1173。
在V V-V H双极化模式下，通过分解方
式得到的H和^同样可以用于描述地物的散射特征。考虑到（H，a)的极限分布，将双极化模式下H/a平面的有效边界修正为：
T,=
0 m
，0 <n^ ^ 1;c m
t2=
'm0"
，0 < w(12)
0 1
式中：h表示有效边界曲线1;r2表示有效边界曲 线2;W为边界参数。
通过修正的V V-V H双极化模式下的H/a分 解，构建了 平面，如图2所示。可以看出，在 V V-V H双极化模式下，H/a平面的有效边界曲线1、2关于a=45°对称.与式（11)、式（12)的对称 形式一致。
2.3.3 古河道散射特征分析
古河道区域在后向散射系数图像上表现为暗 调的辫状、树枝状河道；这是由于雷达波在古河道充 填沉积物中发生的体散射比在周边区域较粗糙物质 中发生的二次散射弱。但古河道区域的后向散射系 数不为0，这说明雷达波在古河道底层的粗糙卵石

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